A primeira máquina espacial de café espresso

Beber café é parte da rotina de muita gente  ao redor do mundo, pelo menos dos que estão na superfície. Os astronautas na Estação Espacial Internacional precisam recorrer a café instantâneo em pequenas bolsas que pode ser bebido com a ajuda de um canudo. Pelo menos até 2015, quando a primeira máquina de café espresso chegou na estação e trouxe consigo pequenas xícaras que recorrem a um efeito físico muito interessante e dispensam a necessidade dos canudos.

Falaremos sobre isso!

É… beber café com um canudo realmente não é a melhor coisa do mundo, mas não tem como negar a necessidade deles em um ambiente em microgravidade e de um contêiner que impeça os líquidos de flutuarem por toda a cabine e atingirem equipamentos, experimentos ou pessoas. E ainda mais se for quente.

A solução para o café continuar na dieta dos astronautas na estação espacial são essas pequenas bolsas com café solúvel. A água quente era adicionada com a ajuda do Potable Water Dispenser e o astronauta mistura o conteúdo com a ajuda dos dedos.

Café com jeitinho brasileiro

O café coado do jeito brasileiro exige gravidade para poder funcionar ou no mínimo uma centrífuga. Enquanto o café espresso precisa de equipamentos para lidar com pressões mais altas. Para realizar o sonho do café espresso no espaço a Agência Espacial italiana se uniu com a empresa de engenharia aeroespacial Argotec e a empresa de produtos de café Lavazza para criar a ISSpresso.

Se você não entendeu a piadinha, ISS é a sigla em inglês para Estação Espacial Internacional que, juntando com a palavra de origem italiana “espresso” vira ISSpresso.

Esse era definitivamente o ÚNICO nome possível para essa máquina. Além do jeito que ela funciona não ser muito diferente do jeito que as máquinas domésticas funcionam, após inserir a cápsula no compartimento a máquina perfura e injeta água quente pressurizada, que sai do outro lado.

máquina espacial de café

A ISSpresso também usa cápsulas de café inseridas na máquina. Porém, a água, ao invés de ficar em um contêiner separado, é colocada no momento do uso com a ajuda das bolsinhas de água já comuns na Estação. Essa água é aspirada, pressurizada e aquecida por um sistema elétrico assim como a máquina que você talvez tenha em casa.

Após passar pela cápsula, o café segue seu caminho até outra   bolsinha que recebe o líquido quente e pronto. A principal diferença dessa máquina para uma doméstica são os seus componentes mais robustos.

Qualquer coisa enviada para o espaço precisa atender a critérios rigorosos e oferecer uma boa margem de segurança caso falhas aconteçam. Após passar por testes,  a máquina foi lançada em 2015 a bordo de um Falcon 9 na missão de reabastecimento. A primeira pessoa a tomar café da máquina no espaço foi a astronauta   Samantha Cristoforetti em 3 de maio de 2015.

A máquina do ISS

A máquina ficou em operação na ISS até dezembro de 2017, quando chegou ao final da sua missão. A máquina de café é legal, mas o que realmente chama a atenção nessa história são as pequenas xícaras de café usadas. Ao invés de tomar a bebida diretamente da bolsa que   sai da máquina os astronautas podem colocá-la nestes copos especiais e   ter uma experiência impressionantemente, parecida com a de beber café na Terra.

Eles funcionam usando um fenômeno físico chamado “Capilaridade”. Basta encostar a boca no canto da xícara e beber normalmente,   enquanto o café sobe magicamente até a borda. Uma xícara comum em microgravidade até poderia conter o café, mas por conta da tensão superficial gerada pelas forças de atração entre   as moléculas de água a bolha de café ficaria presa no fundo da xícara.

O problema começaria na hora de tirar o café lá de dentro para beber. A tendência dos líquidos de se agruparem dificultaria bastante   as coisas e quem estivesse tentando beber provavelmente se queimaria. A capilaridade acaba ficando escondida aqui na superfície   porque a gravidade a supera constantemente.

Mas tem alguns jeitos de enxergar seus efeitos claramente sem precisar estar em microgravidade. Em um tubo de vidro com um diâmetro interno de cerca de 1 mm, ao encostar na água, a coluna de líquido dentro dele começa a subir naturalmente até uma certa altura. Duas forças estão em jogo aqui para permitir que isso aconteça: as forças de coesão,   que fazem com que as moléculas do líquido permaneçam unidas, e as forças de adesão,   que acontecem entre o líquido e a parede do vidro.

Talvez você já tenha notado que ao colocar água em um recipiente os   cantos ficam “levantadinhos” ao invés de o nível ser completamente plano. Essa curvatura é chamada de “menisco” e existe   exatamente pelo mesmo motivo que a coluna de água nestes tubinhos sobe.

O que impede a água de subir em um recipiente grande é o peso da coluna de água. Em um recipiente cilíndrico como um tubinho ou um copo esse peso tá   diretamente relacionado ao raio da seção transversal.

Quanto mais largo for o tubo, mais pesada é a coluna de água. Quando você chega na escala desses tubinhos as forças que eram antes   bastante fracas em relação ao peso do líquido se tornam mais proeminentes.

A água sobe naturalmente até a coluna ser pesada o suficiente   para entrar em equilíbrio com as forças de adesão. Um outro jeito de ver isso acontecendo é pegando uma   toalha de papel e colocando dessa maneira em 2 copos.

À medida que o tempo passa as forças de adesão entre a água e a superfície porosa   do papel ajudam o líquido a lentamente escalar a toalha e ser despejado no outro recipiente. Quando o fator gravidade é removido a capilaridade pode ter um papel ainda   mais importante e esse foi um tópico de estudo bastante comum das pesquisas realizadas na ISS.

No caso da xícara espacial de café o formato das paredes faz com que o líquido siga naturalmente   o caminho até sua borda guiado pelas forças de adesão e tensão superficial.

Ao brincar com o formato das coisas é possível   criar sistemas de “bombeamento” que funcionam de forma totalmente passiva. Isso pode ser útil para um tanque de propelente de uma nave, por exemplo. Em microgravidade o combustível e líquidos criogênios tendem a se espalhar pelo tanque,   impedindo que os motores sejam iniciados corretamente.

Um jeito de contornar isso é usar propulsores de nitrogênio que mudam levemente a velocidade da   nave, concentrando os propelentes no fundo dos tanques e só então realizar a ignição. Isso adiciona um certo nível de complexidade e talvez uma boa saída seria criar um sistema   que usa a capilaridade para guiar os líquidos para o fundo do tanque da   mesma maneira que a xícara de café funciona, como você pode ver nessa animação da NASA.

máquina espacial de café

E a história dessa xícara começa antes da primeira máquina de espresso no espaço. Em novembro de 2008, durante a missão STS126 o astronauta Don Pettit improvisou um copo que   funcionava da mesma maneira usando um pedaço de plástico transparente e um pouco de fita Kapton. Essa foi a primeira versão da xícara, que evoluiu para a versão usada na   Estação Espacial Internacional com a ajuda do cientista especializado   em capilaridade Mark Weislogel e alguns de seus estudantes.

O design do copo criada pelo astronauta foi patenteada e pode sera vista no site do Google Patents! E além da ISSpresso, um estudante da Portland State   University projetou junto com o mesmo cientista um sistema mais simples para fazer café usando uma seringa adaptada a uma das xícaras espaciais.

Uma cápsula de café é inserida na parte de baixo e a água quente dentro da seringa   é forçada para dentro do copo ao passar pela cápsula, colocando café diretamente na xícara. Ok, pode parecer que desenvolver e ter uma máquina de espresso no espaço   seja só um desperdício de tempo e recurso.

É mais que isso.

Entender como a capilaridade funciona e desenvolver modelos matemáticos para ela também é importante para criarmos sistemas de gerenciamento de urina, tratamento e fornecimento de água no espaço e evitar danos que podem ser causados por bolhas em sistemas em naves, por exemplo.

Mas, além das aplicabilidades espaciais, a capilaridade também pode ter seu papel aqui na superfície em sistemas miniaturizados onde as forças envolvidas são mais importantes. E mais do que isso, beber café de um copo especialmente desenhado para funcionar no espaço é quase uma celebração das coisas que aprendemos sobre esse assunto.

E muitas vezes, ciência é sobre fazer o que ninguém fez ainda, mesmo quando as aplicações esperadas não são tão certas.

Nós não sabemos o que não sabemos, e esse é o único jeito de descobrir.

Poderá ver o vídeo no YouTube Aqui.

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